ஈதர்களால் நிரம்பிய பிரபஞ்சம்

Image: wikimedia commons 

இப்போது நீங்கள் ஒரு வாகனத்தில் 30 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் செல்வதாக எடுத்துக் கொள்ளுங்கள். உங்களுக்கு எதிரில் இருந்து, மற்றொரு வாகனம்  30 கிலோமீட்டர் வேகத்தில்  உங்களைக் கடந்து செல்கிறது. தற்போது உங்கள் பார்வையில், அந்த வாகனத்தின் வேகமானது, 60 km/s என்று இருக்கும். இப்போது அதே வாகனம், உங்களுக்கு அருகிலேயே நீங்கள் செல்லும் திசையிலேயே 30 கிலோமீட்டர் வேகத்தில் சென்று கொண்டிருந்தால், உங்களுக்கு அந்த வாகனம் நகர்வது போலவே தோன்றாது. 

தற்போது, அந்த வாகனத்தின் திசைவேகம் பூஜ்ஜியமாக இருப்பதை நீங்கள் உணர்வீர்கள்.  இந்த திசைவேகம் தான், சார்பு திசைவேகம் (relative velocity) என்று அழைக்கப்படுகிறது. அதாவது, ஒரு பொருளின் வேகமானது, அதனைப் பார்ப்பவரின் வேகத்தினை பொருத்தும் மாறுபடலாம்.

இப்போது இந்தக் கதைக்கு வருவோம். 

அனைத்து அலைகளும், ஏதேனும் ஒரு ஊடகத்தின் வழியாகவே பரவுகின்றன. உதாரணமாக ஒலி அலைகள் காற்றின் மூலமாகவும், நீர் அலைகள் நீரின் மூலமாகவும் பரவுகின்றன. எனவே சூரியனிலிருந்து புறப்படும் ஒளி அலைகளும், பூமியை ஏதேனும் ஒரு ஊடகத்தின் வழியாகவே அடைந்திருக்க வேண்டும் என்று 1800 களின் தொடக்கத்தில் விஞ்ஞானிகள் ஊகித்தனர். அந்த ஊடகத்திற்கு ஈதர்கள் (ethers) என்றும் பெயரிட்டனர். ஆனால் இதனை அவர்கள் நிரூபிக்கவில்லை. இது, ஒரு ஊகமாக மட்டுமே இருந்தது. மேலும் இந்த ஈதர்கள் பிரபஞ்சம் முழுவதும் பரவியிருப்பதாகவும் கருதினர். 

இதற்கென அவர்கள் சில பண்புகளையும் வகுத்தனர். அதன்படி இந்த ஈதர்கள், மிகவும் குறைவான அடர்த்தி கொண்டவை. எனவே, கோள்கள் இவற்றின் வழியாக எளிதில் புகுந்து செல்ல முடியும். மேலும் இவற்றின், நெகிழ்வுத் தன்மை  (elasticity) மிகவும் அதிகமாக இருப்பதால், ஒளி அலைகள் இதன் வழியே மிகவும் வேகமாகச் செல்ல முடியும், என்றும் ஊகித்திருந்தனர். 

 Distribution of light in the universe 
 Image: Wikimedia commons

1860களில் ஜேம்ஸ் கிளார்க் மேக்ஸ்வெல் எனும் இயற்பியலாளர், ஒரு பருப்பொருளினுடைய மின்காந்த அலைப் பண்புகள் குறித்த தனது ஆய்வை வெளியிட்டார். இந்த ஆய்வில் அவர்  "ஒளியின் வேகமானது, அது பரவும் ஊடகங்களின் மின் மற்றும் காந்தப் பண்புகளைப் பொறுத்து மாறுபடுகிறது" என்று கருத்தை முன் வைத்தார். 

ஆனால், அந்தக் காலத்திலிருந்த விஞ்ஞானிகள், பாரம்பரிய இயற்பியலில் (classical physics) அதிக நம்பிக்கையுடையவர்களாக இருந்தனர். எனவே 1880 ஆம் ஆண்டு வரை மேக்ஸ்வெல்லின் கருத்துக்கள் ஏற்கப்படாமலேயே இருந்தன. அதன் பிறகு செய்யப்பட்ட சில ஆய்வுகளின் மூலமாகவே  அவரின் கருத்துகள் ஏற்கப்பட்டன.

இப்போது பிரபஞ்சத்தில், v என்ற வேகத்தில் ஒரு பொருள் செல்வதாக எடுத்துக் கொள்வோம். அந்தப் பொருளிலிருந்து, ஒளியும் வெளிப்படுத்தப்படுகிறது. அந்தப் பொருளிலிருந்து நாம் பார்க்கும் போது  ஒளியின் வேகம் c என்பதாகவே தோன்றும். 

(இங்கே c என்பது, வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகமான  3×10⁸ m/s என்பதைக் குறிக்கிறது.) 

ஆனால், நம் பூமியிலிருந்து, அந்தப் பொருள் வெளிப்படுத்திய ஒளியின் வேகத்தைக் கணக்கிட்டால் அதன் வேகம் c+v ஆக இருக்கும். அதாவது, ஒளியின் வேகம் அதிகரித்திருக்கும். 

மேக்ஸ்வெல்லின் சமன்பாடுகள், இந்த மாறுபாட்டைப் பிரித்தறியவில்லை. அவரைப் பொறுத்தவரையில், ஒளியின் வேகமானது அதனுடைய ஊடகத்தின் மின்காந்தப் பண்புகளைப் பொருத்து மட்டுமே மாறுபடுகிறது என்றே கருதினார். 

19 ஆம் நூற்றாண்டின் இறுதியில், நமது விஞ்ஞானிகள் ஒளியின் வேகம் பற்றிய, சில கருத்துக்களை முன்வைத்தனர். அவற்றின் படி, இந்தப் பிரபஞ்சம் முழுவதும் ஏதேனும் ஒரு நிலையான அமைப்பு உள்ளது. அவைகள் தான் ஈதர்கள். மேலும் இந்த அமைப்பில், ஒளியின் வேகமானது c ஆகும். 

ஒரு குறிப்பிட்ட திசைவேகத்தில், இயங்கிக் கொண்டிருக்கும் வேறு ஒரு அமைப்பிலிருந்து வெளிப்படுத்தப்படும் ஒளியின் திசைவேகம், அந்த அமைப்பு இயங்கும் திசையைப் பொறுத்து குறையவோ அதிகரிக்கவோ செய்யலாம். 

 ஆனால் ஒளியின் வேகத்தில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்துவதற்கு,  அந்த ஒளியை உமிழும் பொருளானது, மிக மிக அதிகமான திசை வேகத்தில் செல்ல வேண்டும். இதுவரை நடத்தப்பட்ட எந்த ஒரு சோதனையும் ஒளியின் வேகத்தைப் பாதிக்கவே இல்லை.

மேலும், ஒளியை உமிழும் பொருள் இயங்கினாலும் சரி இயங்காவிட்டாலும் சரி, வெற்றிடத்தில் அதன் திசைவேகம் 3×10⁸ m/s மட்டுமே ஆகும் என்றும் எதிர்காலத்தில் நிரூபிக்கப்பட்டது.

ஏனென்றால் ஒளிக்கு நிறை என்பதே கிடையாது. உதாரணமாக இப்போது ஒருவர், v எனும் திசைவேகத்தில் இயங்கிக் கொண்டிருக்கும் ஒரு வாகனத்திலிருந்து, துப்பாக்கியால் ஒரு திசையைப் பார்த்து சுடுகிறார். அந்தத் துப்பாக்கியிலிருந்து வெளியேறிய தோட்டாவின் வேகத்தை u என்று எடுத்துக் கொள்வோம். 

இந்தத் தோட்டாவினுடைய திசைவேகத்தினை, நாம் ஒரு நிலையான இடத்தில் நின்று கொண்டு அளவிடும்போது, அதன் திசைவேகம் v+u என்ற அளவில் இருக்கும். இங்கு இந்த தோட்டாவின் திசைவேகம் அதிகரித்ததற்கு காரணம் அதற்கு நிறை உள்ளது. ஆனால் ஒளிக்கு நிறை இல்லை. எனவே, வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம் எப்பொழுதும், ஒரு மாறிலியாகவே இருக்கும். ஏதேனும் ஒரு ஊடகத்தின் வழியாகச் செல்லும் போது மட்டுமே அதன் வேகம் மாறுபடும். 

மைக்கேல்சன் மற்றும் மோர்லியின் சோதனைகள்: 

இந்தப் பிரபஞ்சம் முழுவதும் ஈதர்களால் நிறைந்துள்ளது, என்ற கருத்தினை நிரூபிப்பதற்காக, மைக்கேல்சன் மற்றும் மோர்லி எனும் இரண்டு இயற்பியலாளர்கள், interferometer எனும் கருவியின் மூலமாக, சில சோதனைகளை மேற்கொண்டனர். 

இந்தச் சோதனையானது 1887 ஆம் ஆண்டில் ஏப்ரல் மற்றும் ஜூலை மாதங்களுக்கு இடையில் நடந்து முடிந்தது.

அவர்களினுடைய சிந்தனைப்படி, இந்தப் பிரபஞ்சத்தில் ஈதர்கள் நிலையாக உள்ளன. ஆனால் நமது பூமி இயங்கிக் கொண்டுதான் இருக்கிறது. எனவே நமது பார்வையில் ஈதர்களும் இயங்கிக் கொண்டிருப்பது போல் தான் இருக்கும். ஈதர்களின் இந்த இயக்கத்தினைப் பயன்படுத்தி அவர்கள் ஒரு சோதனையைச் செய்ய முடிவெடுத்தனர். 

அதாவது, ஒரு குறிப்பிட்ட வேகத்திலான நீரோட்டம் இருக்கும் ஆற்றில், ஒரு முனையிலிருந்து, அதற்கு நேராக உள்ள மற்றொரு முனைக்குச் செல்ல, அந்த முனையை நோக்கி நேராக நீந்தக்கூடாது. ஏனென்றால், நீரோட்டத்தின் காரணமாக நாம் தள்ளப்பட்டு, நாம் செல்ல வேண்டிய பகுதியிலிருந்து சற்று தள்ளியே கரையை அடைவோம். ஆனால், அந்த நீரோட்டத்திற்கு எதிர் திசையில், நீந்திக்கொண்டே நகர்ந்தால், நாம் சொல்ல வேண்டிய முனையை அடைந்து விடலாம். 

இந்த ஆற்றோட்டத்தைப் போலத்தான் ஈதர்கள் நமது பூமியில் இயங்கிக் கொண்டே இருக்கின்றன. எனவே, பூமியிலிருந்து ஈதர்களின் இயக்கத்திற்குச் செங்குத்தான திசையில், ஒளியினைச் செலுத்தும் போது, அது நேரான திசையில் செல்லக்கூடாது. இந்த ஒளியின் பாதை சிறிதளவு வளைக்கப்பட்டு இருக்க வேண்டும். அவ்வாறு வளைக்கப்படவில்லை என்றால், ஈதர்கள் என்ற ஒன்றே இந்தப் பிரபஞ்சத்தில் இல்லை என்று எடுத்துக் கொள்ளலாம். 

Michelson interferometer

Image: wikimedia commons 

மைக்கேல்சன், அவருடைய சோதனையில்  முதலில் ஈதர்கள்  செல்லும் திசையில், ஒரு நேரான, ஒளிக்கதிரை 45° சாய்வாக இருக்கக்கூடிய, ஒரு கண்ணாடியின் மீது படுமாறு வைக்கிறார். அந்தக் கண்ணாடியின் பின்புறமானது, சிறிதளவு, அலுமினியத்தால் முலாம் பூசப்பட்டுள்ளது. எனவே இப்போது அந்த கண்ணாடியினால், ஒளியை எதிரொலிக்கவும் முடியும் மேலும், அந்த ஒளியை விலகலடையச் செய்து, தன் வழியே புகுந்து செல்ல வைக்கவும் முடியும். எனவே, அனுப்பப்பட்ட ஒளியானது, செங்குத்தான திசைகளில் இரண்டாகப் பிரிகிறது. 

(இங்கு, ஈதர்கள் இயங்கிக் கொண்டிருப்பதாக கருதப்படும் திசையில் L2 எனும் பாதை உள்ளது. மேலும் ஈதர்களின் இயக்கத்திற்கு செங்குத்தான பாதையில் L1 இன்னும் பாதை உள்ளது.)

இந்த இரண்டு ஒளிக் கதிர்களும், அவற்றின் பாதையின் குறுக்கே வைக்கப்பட்டுள்ள கண்ணாடியின் மீது பட்டு எதிரொளிக்கப்படுகின்றன. எதிரொளிக்கப்பட்ட இரண்டு ஒளிக்கதிர்களும், மீண்டும் அந்த 45° கோணத்தில் சாய்வாக உள்ள கண்ணாடியை அடைகின்றன. இந்த இரண்டு ஒளிக்கதிர்களும் ஒன்றுடன் ஒன்று மேற்பொருந்தி, திரையை நோக்கி செல்கின்றன. 

இங்கே, அந்த ஒளி உமிழப்பட்ட  திசையிலேயே செல்லக்கூடிய ஒளிக்கதிருக்கு எந்தப் பிரச்சனையும் இல்லை. ஏனென்றால் அது ஈதர் இயங்கிக் கொண்டிருக்கும் திசையில்தான் செல்கிறது. 

ஆனால் ஈதரின் திசைக்குச் செங்குத்தான திசையில் செல்லக்கூடிய ஒளிக்கதிரைத் தான் இங்கு கூர்ந்து நோக்க வேண்டும். ஈதர் இயங்கிக் கொண்டிருக்கும் திசைக்குச் செங்குத்தான திசையில், இந்த ஒளிக்கதிர் செல்வதென்பது, நாம் முன்பே கூறியிருப்பது போல, நீரோட்டம் உள்ள ஆற்றின் குறுக்கே கடந்து செல்வது போலத்தான். 

அதாவது, ஒருவேளை ஈதர் இருந்தால், அதன் குறுக்கே, ஒளியானது நேராகச் செல்ல முடியாது. அது, கண்டிப்பாக ஈதர் செல்லக்கூடிய திசையை நோக்கி, குறிப்பிட்ட அளவு விலகல் அடைந்திருக்க வேண்டும். 

ஆனால், இதுபோன்ற எந்த ஒரு விலகலும் நடக்கவில்லை. இதே ஆய்வினை மோர்லி எனும் இயற்பியலாளர், இதே சோதனையில், கிட்டத்தட்ட 18 முறை அந்த ஒளியினை எதிரொளிக்க வைத்து, மீண்டும் செய்து பார்த்தார். 

ஆனால் இவருடைய சோதனையிலும், ஈதருக்குச் செங்குத்தாகச் செல்லக்கூடிய, ஒளிக்கதிர், சிறிதளவும் விலகலடையவில்லை. 

எனவே, இந்த இரு இயற்பியலாளர்களும், 'இந்தப் பிரபஞ்சத்தில் ஈதர் என்ற ஒரு பொருளே இல்லை' என்ற முடிவுக்கு வந்தனர்.